Канат стальной, характеристики стальных канатов

Расчет провода на механическую прочность

Для определения напряжений в материале провода при разных климатических условиях используют уравнение состояния провода, которое имеет следующий вид:

где σи, ?и, ?и — напряжение в проводе, удельная нагрузка и температура в исходном режиме; σр, ?р, ?р — то же в рассчитываемом режиме; l — рассчетная длина пролета, м; E, α — модуль упругости и температурный коэффициент линейного удлинения материала провода.

В уравнение состояния провода подставляются параметры исходного режима — режима наибольшей нагрузки и значения температуры и нагрузки, отвечающие каждому из режимов, указанных здесь в п. 2.1. Затем выполняется расчет напряжений в режимах низшей температуры, среднегодовой температуры и максимальной нагрузки. Обычно расчет производится итерационным методом касательных.

После подстановки значений в уравнение состояния провода получается кубическое уравнение, которое решается по следующему алгоритму:

1. Задаемся нулевым приближением напряжения в проводе σ;

2. Определяем поправку путем деления самой функции на ее первую производную:

3. Находим новое значение напряжения:

4. Выполняем проверку окончания итерационного процесса по условию |∆| ≤ ε. Если условие выполняется, то расчет необходимо прекратить, если нет, то значение σ? принимается в качестве нового приближения и расчеты повторяются.

Далее выполняем расчеты для перечисленных ниже режимов с указанием выбора значения расчетного напряжения в проводе:

• Режим низшей температуры: σ_р = σ_{? .} .
• Режим среднегодовой температуры: σ_р = σ_{? ср}
• Режим наибольшей нагрузки: σ_р = σ_{γ .} .

Проверка условий прочности провода для режимов низшей и среднегодовой температур и режима наибольшей нагрузки:

Выполнение расчетных условий свидетельствует о том, что механическая прочность проводов будет достаточной для условий проектируемой линии.

В заключение рассмотрим расчет напряжений и стрел провеса в режимах гололеда без ветра, высшей температуры и грозового режима итерационным методом касательных. При этом для перечисленных ниже режимов выбораем значения расчетного напряжения в проводе:

• Режим гололеда: σ_р = σ_гол.
• Режим высшей температуры: σ_р = σ_{γ .} .
• Грозовой режим: σ_р = σ_гр.

Расчет стрелы провеса провода проводим по формуле:

Проверку соблюдения требуемых расстояний от низшей точки провисания провода до земли выполняем по условиям:

Если условия выполняются — значит, расстояние от провода до земли будет менее допустимого.

Таблица 1. Параметры провода для различных климатических режимов работы

Разновидности

Купить трос можно разного вида, у них могут быть различные геометрические параметры: масса, диаметр и длина троса, а также материал изготовления. Отличаются по типу, количеству прядей и направлению свивки.

Материал

По материалу изготовления различают:

• Растительный.
• Синтетический.
• Стальной.

Рассмотрим подробней каждый тип.

Растительный

Изделия имеют пряди из растений. Бывают достаточно экзотические для наших широт манильские из листьев банана, которые имеют характерную пятнистую поверхность, сизальские из листьев Агавы и кокосовые из волокон скорлупы ореха. У нас чаще применяют более традиционные пеньковые канаты из конопляных волокон, а также хлопковые, льняные и джутовые. Растительный строп имеет достаточно высокую цену, отличается повышенной мягкостью и гибкостью. Подробней о видах таких изделий в таблице.

Синтетический

Эти изделия по прочности превышают, например, манильские (при одинаковых диаметрах троса) в 10 раз, отличия с кокосовыми канатами еще больше: могут достигать троекратного преимущества. Они недорого стоят, выдерживают высокие температуры. Различают:

1. Полиамидный или нейлоновый. Один из наиболее прочных материалов не только из этой группы, они отличаются малым весом, не гниют, не впитывают воду. Некоторые эластичные канаты могут растягиваться до 30% и после того, как нагрузка на трос прекращается, возвращается в первоначальное положение.
2. Полиэстеровый. Он менее эластичный, чем полиамидный канат, но имеет более высокую степень износа. Активно применяется в парусном спорте.
3. Полиэтеновый. Не так распространен, как первые два типа, но отличаются высоким сроком службы, выдерживает натяжение на трос примерно в 1,5—2 раза больше, чем манильский канат.
4. Кевларовый. Обладает прочностью выше, чем металлический, а кроме этого он легкий, гибкий, сила натяжения для троса из кевлара может достигать максимально высоких значений, не разрывая его. Из недостатков отметим — высокую цену, снижение характеристик при действии влаги и солнечных лучей.

Стальные

Диаметр стального троса в мм зависит от области применения и прогнозируемых нагрузок. Нередко можно встретить диаметр троса стального в 3 мм, но также изготавливают металлические канаты толщиной более 50 мм. Его конструкция — стержень, вокруг которого свиты пряди в количестве шести штук. Сердечник делают из пеньки, его дополнительно пропитывают маслом. Гибкость изделия зависит от количества проволоки, по ГОСТ трос имеет 42, 72 или 144 штуки, соответственно, с 7, 12 и 24-ю проволоками в пряди.

Тип

Различают канаты тросовой и кабельной работы. В первом случае применяют классическую тройную свивку — волокна сматывают в пряжу, затем из пряжи делают пряди и потом изготавливают трос. Строп кабельной работы имеет четверную свивку. Его отличие от первого типа:

• Повышенная плотность.
• Стойкость к износу.
• Стойкость к проникновению влаги.
• Меньшая прочность.
• Более высокая цена.

Также они отличаются по количеству прядей. Синтетические и растительные обычно имеют три, четыре, восемь или шестнадцать прядей. При этом трос нержавеющий имеет шесть прядей.

Бывают изделия правой и левой свивки, в первом случае пряди закручивают по часовой стрелке, во втором случае против часовой стрелки.

Рекомендации по применению различных конструкций канатов

В связи с большим разнообразием областей применения и, соответственно, условий эксплуатации канатов в каталоге не представляется возможным дать конкретные указания по применению канатов. Указанные в каталоге области применения канатов носят рекомендательный характер. Для справки ниже приведены эксплуатационные особенности стальных канатов различных конструкций. Каждый тип и конструкция стального каната имеют свои особенности, которые необходимо учитывать при выборе канатов для конкретных условий эксплуатации. При этом следует выдерживать необходимый запас прочности, обеспечивающий безаварийную работу каната. Надежность и долговечность канатов в значительной степени зависят от материала сердечника, а канатов, работающих в агрессивных средах, кроме того, от применения защитных металлических покрытий и антикоррозийной смазки. Канаты одинарной свивки из круглых проводов обладают повышенной жесткостью, поэтому их рекомендуется применять там, где преобладают растягивающие нагрузки на канат (грозозащитные тросы высоковольтных электропередач, ограждения, растяжки и т. п.). Канаты двойной свивки с линейным касанием проволок обладают сравнительно большой работоспособностью и имеют достаточное число разнообразных конструкций. Последнее позволяет выбрать канаты для работы при больших концевых нагрузках, при значительном абразивном износе, при минимально допустимых отношениях диаметра органа навивки к диаметру каната. Канаты типа ЛК-Р (ГОСТ 2688-80, 14954-80) следует применять тогда, когда в процессе эксплуатации они подвергаются воздействию агрессивных сред, интенсивному знакопеременному изгибу при работе на открытом воздухе. Большая структурная прочность этих канатов позволяет использовать их во многих весьма напряженных условиях работы на строительных и металлургических кранах, шахтных подъемных установках, экскаваторах и скреперах, подвесных дорогах, кабель-кранах и т.д. Канаты типа ЛК-О (ГОСТ 3062-80, 3066-80, 3077-80) устойчиво работают в условиях сильного истирания благодаря наличию в верхнем слое проволок увеличенного диаметра. Эти канаты получили широкое распространение в качестве подъемных на судах и лифтах: тормозных – на шахтных подъемных установках, тяговых – на канатно-подвесных дорогах и т.п. Но для нормальной эксплуатации этих канатов требуется несколько повышенный диаметр блоков и барабанов. Канаты типа ЛК-З (ГОСТ 7665-80, 7667-80) применяют почти во всех отраслях промышленности, так как они обладают более высокой гибкостью, но при этом не должны подвергаться воздействию агрессивной среды. Применять эти канаты в агрессивной среде не рекомендуется из-за наличия тонких проволок заполнения , легко поддающихся корродированию. Канаты типа ЛК-РО (ГОСТ 7668-80, 7669-80) отличаются сравнительно большим числом проволок в прядях и поэтому обладают повышенной гибкостью. Наличие в наружном слое прядей этих канатов относительно толстых проволок позволяет успешно применять их в условиях образивного износа и наличия агрессивных сред. Канаты двойной свивки типа ТЛК следует применять тогда, когда использование канатов с линейным касанием проволок в прядях невозможно из-за нарушения установленных минимально допустимых соотношений между диаметром органов навивки и диаметрами проволок каната или при невозможности обеспечения рекомендуемого запаса прочности. Канаты двойной свивки типа ТК (ГОСТ 3063-80, 3064-80, 3067-80, 3071-80) не рекомендуются для ответственных или интенсивно работающих установок, так как они обладают низким техническим ресурсом. Применение канатов типа ТК допустимо для ненапряженных условий эксплуатации, где знакопеременные изгибы и пульсирующие нагрузки незначительны или полностью отсутствуют (расчалочные и грузозащитные канаты, временные лесосплавные крепления).

Преимущества металлического троса

Металлический трос очень популярен в строительной сфере, поскольку обладает рядом преимуществ над другими креплениями, а именно:

• очень прочный;
• не тянется и не растягивается при прикреплении к строительной конструкции;
• прост в использовании;
• цена его достаточно низкая;
• срок службы троса очень большой, поэтому есть возможность его продажи даже б/у;
• очень удобен в использовании там, где есть вероятность перепада больших температур, так как не чувствителен к их воздействию и не поддается деформации при высоких или наоборот низких температурах;
• не подвергается опасности при смотке по земле;
• сплетение проволок торса настолько крепкое, что он никогда не рвется при эксплуатации.

Назначение изделия

Чаще всего изделие применяется при буксировочных, такелажных и грузоподъемных работах. Прочный и гибкий, трос непременно является частью оснащения экскаваторов, подъемных кранов, буровых установок. Еще он используется в механизмах подъема и опускания грузовых и пассажирских лифтов и для армирования бетона. Наиболее широко тросы применяются при грузоподъемных работах: гибкость и высокая прочность изделий позволяет делать из них грузозахватные приспособления, выдерживающие серьезные механические нагрузки.

С учетом сложности работ, подразумевающих использование стальных тросов, к выбору изделий следует подходить со всей ответственностью. Современный рынок представляет много видов канатов и тросов из стали, поэтому несведущий человек может растеряться из-за всего этого разнообразия. Поэтому в случае затруднений лучше обратиться за консультацией к профессионалу, который поможет подобрать изделие для конкретных задач.

Строгие требования соответствия эксплуатационным характеристикам предъявляются и к металлическим тросам, и к дополнительным элементам, с которыми они используются. Перед эксплуатацией такие изделия подвергаются различным испытаниям и проверкам и в случае успешного прохождения получают сертификаты и разрешения, позволяющие использование по прямому назначению.

Основные параметры

Основные параметры, по которым выбираются тросы, следующие:

1. Прочность;
2. Гибкость;
3. Грузоподъемность;
4. Предельные значения натяжения.

Для повышения устойчивости к агрессивным средам, где будут эксплуатироваться тросы, в отдельных случаях их подвергают дополнительной обработке. Что касается отдельных сфер использования изделия, одним из самых значимых параметров может быть его вес.

Разновидности стальных канатов

Тросы относятся к крученым или витым изделиям, изготавливаемым из стали, синтетических и органических нитей. В производстве стальной продукции применяется оцинкованная высокоуглеродистая проволока сечением 0,4–3 мм, обладающая значительным запасом прочности при нагрузках на разрыв (от 130 до 200 кгс/мм2).

Металлические нити, используемые в изготовлении продукции, бывают нескольких марок. Наилучшими прочностными характеристиками обладает проволока категории В, менее качественным считается сырье марок I и II

Прежде чем определить, какую нагрузку выдерживает трос 5 мм или другой толщины, следует принять во внимание, что вне зависимости от качества материала канаты различаются между собой по конструкции и бывают трех типов:

• Одинарной свивки – сделаны из одной пряди с проволокой одинакового сечения. Их элементы свиваются вокруг одной из металлических нитей до 4-х слоев. Маркируются стальные тросы как сумма из цифр, указывающих на число проволок в плетении. Например, 1+9+9 говорит о том, что в канате имеется 19 проволок, из них одна размещается в центральной части, 9 свиты в первом слое и 9 во втором.
• Двойной свивки – изготовлены из нескольких прядей, накладываемых в 1–2 слоя вокруг сердечника. Для сердечника используют свитую проволоку, органические или минеральные материалы, которые улучшают прочность стального троса и предотвращают проваливание прядей внутрь изделия. Чаще всего такую продукцию применяют для тросовой работы.
• Тройной свивки – сделаны из нескольких тросов. Как и при двойной свивке, они имеют сердечник, однако изготавливаются из проволоки меньшего сечения и используется там, где необходима повышенная гибкость канатов (как правило, для кабельных работ).

Проволока, расположенная в разных слоях, может иметь точечное, линейное или точечно-линейное касание. Устанавливая, какую нагрузку выдерживает трос диаметром 6 мм или иной толщины, нужно учитывать, что канаты с точечным касанием (ТК) актуальны только при незначительных пульсирующих нагрузках. Изделия с линейным касанием (ЛК) отличаются обширной сферой применения, а с точечно-линеныйм (ТЛК) используются в местах, где ЛК не могут обеспечить рекомендуемый запас прочности.

При изготовлении продукции обычно применяется крестовая свивка. Проволока в ее наружном слое имеет различное направление, что гарантирует более крепкое сплетение и простоту в эксплуатации. По желанию заказчиков заводы-производители могут изготовить и другие разновидности свивки, такие как одностороннюю и комбинированную.

Помимо классификации по конструкции, канаты делятся по степени скручивания и могут быть гибкими или жесткими. Последние характеризуются более высокой прочностью на разрыв, поскольку выпускаются из малого числа металлических нитей большого диаметра. Для сравнения гибкости тех или иных модификаций можно воспользоваться таблицей.

Виды тросов по материалу изготовления

Материал, используемый в производстве этой продукции, во много определяют ее технические характеристики. Производители предлагают стальные и синтетические изделия.

Стальные тросы для грузовой лебедки

Центральная часть представляет собой гладкий органический сердечник, придающий изделию гибкость. Оплетка изготавливается из проволоки двойной свивки. В различных слоях прядей диаметр стальной проволоки может быть одинаковым или разным. Оплетка придает канату высокую прочность. Стальные тросы часто являются элементами стандартной комплектации автомобильных тяговых устройств.

Многослойная конструкция обеспечивает:

• высокую стойкость изделия к различного рода нагрузкам, воздействию агрессивных сред, истиранию, температурным перепадам;
• минимальный риск разрыва при сильном натяжении троса лебедки;
• отсутствие сплющивания в процессе эксплуатации;
• длительный эксплуатационный период.

Минусы – значительная масса погонного метра, травмоопасность при разрыве стальных прядей, слабая устойчивость к коррозионным процессам.

Синтетические изделия

В производстве этой продукции используются композитные материалы, в которых комбинируются синтетические нити разного типа. Наиболее популярны кевларовые канаты. Готовая продукция сочетает высокую прочность, не уступающую прочности стальных канатов, с меньшим удельным весом. Синтетические изделия часто используются в комплектации тяговых устройств, выпускаемых зарубежными производителями.

Преимущества:

• сочетание прочности и небольшой массы погонного метра;
• безопасность для пользователя;
• в развернутом состоянии – отсутствие перекручивания;
• удобное пользование – работать с таким изделием можно без перчаток.

Минусы – высокая стоимость, неудобство пользования при отрицательных температурах, быстрая потеря прочности при высоких температурах. Влажный синтетический канат, намотанный на барабан, превращается на морозе в монолитный кусок льда. Новый кевларовый трос обладает большей прочностью, по сравнению со стальным канатом такого же диаметра. Но синтетическая продукция изнашивается гораздо быстрее, чем металлическая. Еще одна трудность при использовании синтетики – необходимость постоянной защиты от ультрафиолетового излучения, вызывающего ее быстрое старение.

Приемка

3.1. Канаты принимают партиями. Партия должна состоять из каната одного типоразмера в одной единице упаковки, оформленной одним документом о качестве, в котором указывают: товарный знак или наименование и товарный знак предприятия-изготовителя; наименование организации, в систему которой входит предприятие-изготовитель; номер каната всистеме нумерации предприятия-изготовителя; условное обозначение каната; длину каната или каждого отрезка; массу брутто каната; результаты механических испытаний; суммарное разрывное усилие всех проволок в канате или разрывное усилие канатав целом; материал органического сердечника; дату изготовления каната; тип смазки каната; номер барабана; штамп технического контроля; изображение знака соответствия при обязательной сертификации. 3.2. Внешний вид, размер, механические свойства проволок каната, суммарное разрывное усилие, качество цинкового покрытия проверяют на каждом канате. 3.3. Проверку разрывного усилия каната в целом производят по требованию потребителя. 3.4. Результаты испытаний нарастяжение, скручивание, перегиб и контроль диаметра проволок считаются удовлетворительными, если суммарная площадь поперечного сечения проволок, не соответствующих требованиям настоящего стандарта, составляет не более 5 % номинальной площади сечения всех проволок в канате при 100 %-ном испытании, не более2 % номинальной площади сечения каната при 25 %- и 10 %-ном испытаниях проволокв канате, а для канатов одинарной свивки количество проволок, не удовлетворяющих требованиям стандарта, не должно превышать 5 % испытанных проволок из каната. При этом фактическое значение диаметров этих проволок не должно превышать ближайшего смежного диаметра по ГОСТ 7372 по отношению к диаметрам, указанным в стандартах насортамент или уточненным в соответствии с п. 2.1.6. Допускается в канатах грузового назначения наличие проволок, отличающихся диаметрами отуказанных в стандартах на сортамент на 0,2 мм, для проволок диаметром св. 1,20 мм в количестве, установленном выше. При несоответствии результатов испытаний требованиям настоящего стандарта проводится повторное испытание каната. Результаты повторных испытаний распространяют на всю партию.

Что такое кевлар?

Кевлар представляет собой высокопрочное полимерное волокно на основе полипарафенилен-терефталамида, которое впервые было произведено в середине 70-х годов прошлого века американским химическим концерном DuPont. Первоначально такое волокно предназначалось для военных целей в качестве сырья для производства касок и защитных бронежилетов (и действительно там широко применяется). Однако эксплуатационные возможности кевлара (и модификации ассортимента этого волокна) позволяют существенно расширять область его применения. В частности, кевларовый трос для лебёдки (и не только автомобильной) может решить множество проблем, которые возникают при повседневной эксплуатации разнообразных подъёмно-транспортных механизмов.

Физико-механические свойства кевлара следующие:

1. Предел прочности в условиях одноосного растяжения — до 3500 МПа (что в 2,5…3 раза превышает аналогичный показатель для средне- и высокоуглеродистых сталей).
2. Относительное удлинение до момента появления шейки в поперечном сечении — не более 1…1,5%.
3. Температуростойкость материала — до 320ºС.
4. Водопроницаемость – не более 1%.
5. Плотность – 0,97…2,52 г/см3 (зависит от состава армирующего волокна; максимальный показатель соответствует стекловолокну, а минимальный – полиэтиленовому).

Впечатляют и эксплатационные свойства кевларовых волокон (в дальнейшем под этим будем понимать синтетик с любым видом наполнителя). Так, кевларовый трос для лебёдки может сплетаться как с использованием сердечника, так и без него. При этом такие тросы существенно легче и безопаснее металлических. Используя такие тросы, можно работать без перчаток, а в случае разрыва подобного кевларового изделия его остатки не будут, разлетаясь во все стороны, травмировать окружающих.

Для увеличения допустимого значения разрывного усилия кевларовый трос для лебёдки изготавливается методами многорядного плетения (обычное число прядей — 12). При прочностных испытаниях усилие разрыва зависит от диаметра троса, и составляет:

• При диаметре 9 мм – не менее 47 кН;
• При диаметре 10 мм – не менее 58 кН;
• При диаметре 11 мм – не менее 78 кН;
• При диаметре 12 мм – не менее 98 кН.

По условиям безопасной эксплуатации грузоподъёмных устройств коэффициент запаса по усилию должен составлять не менее 3,5 (а при использовании лебёдок для подъёма людей – до 9). Таким образом, предельные усилия для безопасного нагружения кевларовых тросов составляют от 52…108 кг – при использовании на работах, связанных с подъёмом людей, до 130…280 кг – для иных видов грузоподъёмных операций в строительстве.